Zones d’intérêt au centre du fût

Afin d’interroger une zone d’intérêt au centre du colis, l’angle d’ouverture total du faisceau est fixé à 3,6°. Les détecteurs sont orientés pour viser le centre du colis comme le montre la Figure IV - 29. La diffusion des neutrons réduit ici très fortement la sélectivité spatiale et conduit à interroger des zones de la matrice située autour de l’objet.

Figure IV - 29. Dispositif de détection pour le colis d'enrobé bitumineux dans le cas d’une zone d’intérêt au centre du colis, et lieux d’interaction des neutrons dans la matrice obtenus avec MCNP Vised. Les points rouges représentent l’énergie maximale des neutrons (14 MeV) et les points bleus correspondent à une énergie minimale de 10 meV.

En plus de la perte de sélectivité spatiale due à la diffusion neutronique, la forte émission gamma du colis d’enrobé bitumineux (~ 10¹² γ/s) rend impossible la détection des blocs métalliques ou de la poche d’eau à cause du faible rapport signal sur bruit au centre du colis. Le cas d’une activité 100 fois plus faible a donc été étudié, mais même avec une émission de ~ 10¹⁰ γ/s, il reste difficile de caractériser les zones interrogés à cause des importantes fluctuations statistiques due à la très forte atténuation des rayonnements par la matrice. La Figure IV - 30 présente les spectres en énergie de la zone temporelle du bloc d’aluminium au centre (32 à 35 ns) avec l’émission gamma maximale du colis bitumineux et avec 1% de cette émission. Dans ces deux cas, l’incertitude statistique rend impossible la détection du bloc.

Figure IV - 30. Spectres en énergie correspondants au bloc d’aluminium avec une émission gamma maximale de ~ 10¹²γ/s (à gauche), et avec 1% de l’émission maximale soit ~ 10¹⁰γ/s (à droite).

Cependant, pour un système industriel, plusieurs détecteurs pourraient être mise en œuvre. Avec 10 détecteurs LaBr3 3"×3" placés à 150° en couronne tout autour du faisceau de neutrons signés, et avec une émission gamma de ~ 10¹⁰γ/s, il est alors possible de caractériser avec une précision globalement satisfaisante la composition élémentaire des zones interrogées au centre du colis d’enrobé bitumineux, voir Figure IV - 31. Une autre alternative pour améliorer la précision statistique serait de rapprocher le détecteur du colis, ce qui est possible pour des activités de cet ordre. Cette option sera étudiée dans le cas du CBFC’2, voir paragraphe 4.2.

L’aluminium contribuant à ∼ 21% en nombre de coups dans le spectre est ainsi détecté. Même si l’incertitude est élevée, la fraction détectée reste significative, et il sera aussi possible d’augmenter le temps de mesure (ici 60 min). Cet élément est absent du spectre de la matrice d’enrobé seul.

Pour le bloc de fer au centre du colis bitumineux, le spectre en énergie présenté sur la Figure IV - 31 montre la présence des pics caractéristiques à 0,847 MeV et 1,238 MeV, et l’algorithme de déconvolution détecte le fer avec ~ 14 % du nombre de coups dans le spectre comme étant l’élément majoritaire dans la zone interrogée alors qu’il est absent du spectre de l’enrobé seul. La proportion de carbone venant de l’enrobé bitumineux est encore accrue par rapport au cas à mi rayon à cause de la diffusion neutronique et de l’atténuation plus grande dans le colis des rayonnements gamma de faible énergie du fer.

La déconvolution du spectre en énergie de la poche d’eau au centre du colis présenté en Figure IV - 31 montre une proportion de rayonnements gamma caractéristiques de l’oxygène de ~ 28 % alors qu’elle n’est que de ~ 14 % dans l’enrobé seul. Malgré la présence de carbone dans la zone de l’eau due à la forte diffusion neutronique et la présence d’une proportion significative d’oxygène dans la matrice d’enrobé bitumineux, il est possible de caractériser la présence d’un matériau riche en oxygène grâce au rapport des nombres de coups O/C qui est de 0,51 dans l’enrobé seul contre 1,22 avec la poche d’eau.

Figure IV - 31. Spectres en énergie correspondants au bloc d’aluminium (en haut à gauche), de fer (en haut à droite), à la poche d’eau (en bas à gauche) et au bitume seul (en bas à droite) au centre du colis d’enrobé bitumineux avec une émission gamma du colis de ~ 10¹⁰γ/s et avec 10 détecteurs Labr₃(Ce).

4.2 Etude du fût de béton fibres CBF-C32

Afin d’identifier les déchets technologiques divers dans les étuis du colis de béton fibre, l’un des deux étuis de diamètre 30 cm, contenant du PVC, de l’aluminium ou encore du fer, a été interrogé. La taille du faisceau est adaptée au grand étui (en termes de diamètre) et par suite son ouverture totale est de 12,58°. Les collimateurs sont orientés de façon à viser la zone d’intérêt, voir Figure IV - 32. Le détecteur à 150° permet d’enregistrer le plus grand nombre de coups et offre la meilleure sensibilité.

Aluminium _Fer Eau Fe/C = 1,06 ± 0.21 O/C = 1,22 ± 0.11 O/C = 0,51 ± 0.16 Pas de Fe Enrobé Bitumineux

Figure IV - 32. Dispositif d’identification des déchets technologiques divers dans les étuis des colis du béton fibre.

Le premier étui modélisé est rempli d’aluminium pur de densité 2,7. La densité de

l’aluminium est quasiment la même que celle du béton et la différence des sections efficaces de production gamma dans ces matériaux n’est pas suffisante pour différencier le signal dans le spectre de temps de vol. C’est donc l’imagerie photonique qui permet le repérage de la position de l’étui dans le colis de béton fibres. Le spectre de temps de vol correspondant à cette inspection avec un seuil d’énergie de 790 keV est présenté en

Figure IV - 33. Les lignes noires verticales montrent la zone du bruit du fond aléatoire qui doit être soustrait du signal correspondant à la matrice, qui se trouve entre les deux barres grises en pointillés. La déconvolution du spectre gamma de cette zone de béton fibres révèle principalement la présence d’oxygène, élément majoritaire dans cette matrice (~ 53 % massiques) et de silicium (~ 36 %), les autres éléments détectés étant non significatifs en terme d’incertitude.

1,779 MeV (Si)

Figure IV - 33. A gauche, spectre de temps de vol du colis CBF-C22 avec un grand étui rempli d’aluminium. Les barres verticales noires encadrent la zone du bruit de fond, les barres grises celle de la matrice du colis de béton fibres et les barres rouges correspondent au signal du grand étui contenant de l’aluminium. A droite, spectre gamma de la matrice de béton fibres située en périphérie du fût (22-25 ns) après soustraction du bruit aléatoire.

La déconvolution du spectre gamma de la zone de l’étui rempli d’aluminium, présenté sur la Figure IV - 34, indique une proportion de coups importante pour l’aluminium (~ 24 %) avec cependant une incertitude relativement élevée due aux importantes fluctuations statistiques et au fait que le pic de l’aluminium à 1,809 MeV est confondu avec celui du silicium à 1,779 MeV. L'aluminium est néanmoins détecté sans ambigüité grâce à ses deux autres raies à 2,211 MeV et 3,004 MeV. Dans la zone de béton fibres sélectionnée, il n’y avait pas de coups attribués à l’aluminium.

Le spectre en énergie pour un étui rempli de fer de densité 7.87 est également présenté en Figure IV - 34. Le fer est identifié sans ambigüité avec une fraction de coups de ~ 12 % tandis qu’il n’est pas détecté dans la zone du béton fibres. A la différence du fût d’enrobé bitumineux, il n’y a pas ici de fer dans la matrice de béton fibres ce qui facilite la détection de cet élément dans l’étui.

La déconvolution du spectre gamma correspondant à un étui rempli de PVC (C2H3Cl)n de densité 1, présenté aussi en Figure IV - 34, montre que le nombre de coups attribués au chlore pour la zone de l’étui est de ~ 9 % mais avec une très grande incertitude due principalement aux fluctuations statistiques, rendant sa détection non significative.

2,211 MeV (Al) 3,004 MeV (Al)

0,847 MeV (Fe)

1,238 MeV (Fe)

Figure IV - 34. Spectres gamma de la zone temporelle correspondant au grand étui rempli d'aluminium (en haut à gauche), de fer (en haut à droite) et de PVC (en bas) dans le colis de béton fibres avec une émission gamma de ~ 10¹²γ/s, et pourcentages de coups élémentaires obtenus par l’algorithme de déconvolution.

Cette incertitude est due en grande partie à la forte émission gamma du colis (~ 10¹² γ/s). Comme pour le fût d’enrobé bitumineux, le cas d’une activité 100 fois plus faible a été étudié, soit ~ 10¹⁰γ/s. Avec cette émission gamma, le détecteur LaBr3(Ce) peut être placé à 10 cm du colis, conduisant à un taux de comptage de ~ 10⁶ coups/s et donc à un taux d’empilement voisin de 7 %. Les spectres en énergie correspondants sont présentés en Figure IV - 35. Le fer, l’aluminium et le chlore sont identifiés sans ambigüité avec des proportions de coups de ~ 8 %, ~ 11 % et ~ 7 %, respectivement, et des incertitudes beaucoup plus faibles. Dans le spectre correspondant au béton fibres, le fer et l’aluminium sont détectés avec de très faibles pourcentages de coups et le chlore est absent du spectre.

2,127 MeV (Cl) 2,211 MeV (Al) 3,004 MeV (Al) 0,847 MeV (Fe) 1,238 MeV (Fe) Etui de PVC

Figure IV - 35. Spectres gamma de la zone temporelle correspondant au grand étui rempli d'aluminium (en haut à gauche), de fer (en haut à droite) et de PVC (en bas à gauche), et celui de la matrice de béton fibres (en bas à droite), pour une émission gamma de ~ 10¹⁰γ/s, et pourcentages de coups élémentaires obtenus par l’algorithme de déconvolution.

Remarques.

– Une autre solution pour réduire les fluctuations statistiques est d’utiliser un plus grand nombre de détecteurs comme dans le cas du colis d’enrobé bitumineux. Il est tout à fait possible de combiner différentes options (rapprochement du détecteur, accroissement de leur nombre, temps de mesure plus long) selon l’activité du colis et les fluctuations statistiques observées.

– Le plomb est observé dans les spectres en raison de la rétrodiffusion de neutrons signés par le colis vers le collimateur, ce qui crée un signal coïncident dans la même fenêtre de temps de vol que l’étui (effet « fantôme »). Cet effet peut être réduit en éloignant le collimateur du colis de 10 cm. Un calcul a été réalisé pour un étui d’aluminium, montrant que le pourcentage de coups dus au plomb trouvé par l’algorithme de déconvolution reste significatif, environ 25 %. Pour pallier cet inconvénient, notamment si on recherche du plomb dans les colis, il conviendrait de prévoir un autre matériau pour les collimateurs.

4.3 Etude du fût de 870 L du CEA

La détection d’un bloc cylindrique d'aluminium (hauteur et diamètre de 20 cm), et celle d’un bloc moteur cubique d’arrête 20 cm, avec des parois en fer d'épaisseur 5 cm et contenant de l'huile, placés à différentes profondeurs à l’intérieur du colis de 870 L, ont été étudiées.

4.3.1 Zones d’intérêt situées à la périphérie du fût

L’ouverture angulaire totale du faisceau de neutrons signés est de 8,92°. Les collimateurs sont orientés de façon à viser la zone d’intérêt, voir Figure IV - 36. Le détecteur à 150° permet d’enregistrer le plus grand nombre de coups et offre la meilleure sensibilité.

2,127 MeV (Cl)

1,779 MeV (Si)

6,13 MeV (O)

Figure IV - 36. Dispositif de détection pour un objet situé au bord du fût de 870 L.

Une mesure de référence doit d’abord être réalisée dans une zone de visée où ne se trouve pas l’objet à inspecter, après une rotation du colis, afin d’obtenir le spectre intrinsèque du liant hydraulique. Le spectre de temps de vol correspondant à cette inspection avec un seuil d’énergie de 790 keV est présenté en Figure IV - 37. Les lignes noires verticales montrent la zone du bruit de fond aléatoire qui doit être soustrait du signal correspondant à la matrice qui se trouve entre les deux barres rouges. La déconvolution du spectre gamma montre la présence d'oxygène, élément majoritaire dans le liant (fraction massique de ~ 53 %), de silicium (~ 28 %) et de calcium (~ 10 %). Les autres éléments ne sont présents qu’en faible quantité dans le liant et les proportions de coups détectées sont faibles, voire non significatives.

Figure IV - 37. Spectre de temps de vol du colis 870 L sans objets inclus et spectre gamma d’une zone d’intérêt située en périphérie du fût (25-28 ns) après soustraction du bruit aléatoire.

1,779 MeV (Si)

Le bloc d’aluminium de densité 2,7 a été placé en périphérie du fût de 870 L. La déconvolution élémentaire du spectre gamma correspondant à la zone temporelle du bloc d’aluminium (25 à 28 ns), voir Figure IV - 38, indique une fraction de coups pour l’aluminium (~ 16 % avec une faible incertitude) très supérieure au pourcentage non significatif détecté en l’absence du bloc.

La déconvolution du spectre obtenu par la simulation avec le bloc moteur en périphérie du colis de 870 L révèle aussi très clairement la présence du bloc de fer avec un pourcentage de ~ 11 % contre ~ 2 % dans la matrice du liant hydraulique seul.

Figure IV - 38. Spectres gamma de la zone temporelle de 25 à 28 ns correspondant au bloc d'aluminium (à gauche) et au bloc moteur (à droite) situés en périphérie du fût de 870 L, et pourcentages de coups élémentaires obtenus par l’algorithme de déconvolution.

4.3.2 Zones d’intérêt situées à mi-rayon du fût

L’angle d’ouverture total du faisceau est ici fixé à 8,28° pour ne viser que la zone d’intérêt à mi-rayon du colis de 870 L. Le fait d’orienter les collimateurs pour viser cette zone à interroger permet une meilleure sélectivité spatiale car les collimateurs limitent la détection des rayonnements gamma induits dans les zones voisines par des neutrons ayant diffusé hors du cône de neutrons signés. Dans ce cas aussi, le détecteur à 150° apporte la meilleure information sur la zone interrogée.

Le spectre gamma de la zone temporelle du bloc d’aluminium à mi-rayon du colis de 870 L est présenté en Figure IV - 39. L’aluminium est détecté avec un pourcentage de coups non significatif (~ 3,5 % ± 4 %).

Pour le bloc moteur à mi-rayon dans le colis, le spectre en énergie présenté en Figure IV - 39 montre la présence de fer avec un pourcentage de coups de ~ 6 %, contre une fraction plus faible dans la même zone pour le liant hydraulique seul.

2,211 MeV (Al) 3,004 MeV (Al)

0,847 MeV (Fe)

1,238 MeV (Fe)

Figure IV - 39. Spectres gamma correspondants au bloc d’aluminium (en haut à gauche), de fer (en haut à droite), et au liant seul (en bas) à mi-rayon du colis de 870 L.